【紫光同創(chuàng)國(guó)產(chǎn)FPGA教程】【第二章】LED流水燈實(shí)驗(yàn)及仿真

原創(chuàng)聲明：

本原創(chuàng)教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創(chuàng)作，版權(quán)歸本公司所有，如需轉(zhuǎn)載，需授權(quán)并注明出處（http://www.alinx.com）。

適用于板卡型號(hào)：

PGL22G/PGL12G

1. 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

通過LED流水燈實(shí)驗(yàn)，介紹使用PDS軟件開發(fā)FPGA的基本流程，器件選擇、設(shè)置、代碼編寫、編譯、分配管腳、下載、程序FLASH固化、擦除等；同時(shí)也檢驗(yàn)板上LED燈是否正常。

2. 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

• Windows 10 64位

• Pango Design Suite 2020.3

3. 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 LED硬件電路

開發(fā)板 LED部分原理圖

從上面的LED部分原理圖可以看出，開發(fā)板都是將IO經(jīng)過一個(gè)電阻和LED串聯(lián)接電源端，F(xiàn)PGA的IO輸出低電平點(diǎn)亮LED。IO輸出高電平LED燈熄滅，其中的串聯(lián)電阻都是為了限制電流。

3.2程序設(shè)計(jì)

FPGA的設(shè)計(jì)中通常使用計(jì)數(shù)器來計(jì)時(shí)，對(duì)于50Mhz的系統(tǒng)時(shí)鐘，一個(gè)時(shí)鐘周期是20ns，那么表示一秒需要50000000個(gè)時(shí)鐘周期，如果一個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器累加一次，那么計(jì)數(shù)器從0到49999999正好是50000000個(gè)周期，就是1秒的時(shí)鐘。

程序中定義了一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器：

//Definethetimecounter
reg[31:0]timer;

最大可以表示4294967295，十六進(jìn)制就是FFFFFFFF，如果計(jì)數(shù)器到最大值，可以表示85.89934592秒。程序設(shè)計(jì)中是每隔1秒LED變化一次，一共消耗4秒做一個(gè)循環(huán)。

always@(posedgesys_clkornegedgerst_n)begin
	if(~rst_n)
		timer<=32'd0;
	elseif(timer?==32'd199_999_999)
		timer?<=32'd0;
	else
		timer?<=?timer?+1'b1;end

在第一秒、第二秒、第三秒、第四秒到來的時(shí)候分別改變LED的狀態(tài)，其他時(shí)候都保持原來的值不變。

//LEDcontrolalways@(posedgesys_clkornegedgerst_n)begin
	if(~rst_n)
		led<=4'b0000;
	elseif(timer?==32'd49_999_999)
		led?<=4'b0001;
	elseif(timer?==32'd99_999_999)
		led?<=4'b0010;
	elseif(timer?==32'd149_999_999)
		led?<=4'b0100;
	elseif(timer?==32'd199_999_999)
		led?<=4'b1000;end

4. PDS工程

4.1 創(chuàng)建工程

1）啟動(dòng)Pango Design Suite 2020.3開發(fā)環(huán)境(在開始菜單中選擇pango->Pango Design Suite 2020.3>Pango Design Suite 。Pango Design Suite（簡(jiǎn)稱PDS）或者雙擊桌面的Pango Design Suite 2020.3的圖標(biāo)直接打開軟件。

2）在PDS 開發(fā)環(huán)境里雙擊Create Project或File->New Project...這兩種方式都可，如下圖：

3） 彈出一個(gè)PDS的工程向?qū)Вc(diǎn)擊Next按鈕。

4）在彈出的對(duì)話框中輸入工程名和工程存放的目錄，這里取一個(gè)led_test的工程名，點(diǎn)擊Next；

5） 在下面的對(duì)話框中默認(rèn)選擇RTL Project, 因?yàn)槲覀冞@里使用verilog行為描述語言來編程，單擊Next

6） 進(jìn)入Add Design Source Files界面，這里先不添加任何設(shè)計(jì)文件。點(diǎn)擊Next；

7）這里問是否添加已有的IP，保持默認(rèn)不添加，單擊Next；

8）提示是否添加已有的約束文件，這里約束文件我們也沒有設(shè)計(jì)好，也不添加。

9）在接下來的對(duì)話框選擇所用的FPGA器件，以及進(jìn)行一些配置。開發(fā)板首先在Family欄里選擇Logos，Device中選擇PGL22G，在Package欄選擇BG324, Speed grade欄選擇-6；綜合工具選擇ADS；單擊NEXT進(jìn)入下一界面：

10）再次確認(rèn)一下板子型號(hào)有沒有選對(duì), 沒有問題再點(diǎn)擊“Finish”完成工程創(chuàng)建。

11）工程創(chuàng)建后如下圖所示：

4.2 編寫流水燈的verilog代碼

1）雙擊Sources下的Designs圖標(biāo)；

2） 在Add Design Source Files界面中進(jìn)行如下設(shè)置，點(diǎn)擊OK；

3）可以看到已經(jīng)新建發(fā)led_test.v文件，點(diǎn)擊OK按鈕。

向?qū)?huì)提示您定義I/O的端口，這里我們可以不定義，后面自己在程序中編寫就可以,單擊OK完成。

這時(shí)在Navigator界面下的Designs里已經(jīng)有了一個(gè)led_test.v文件, 并且自動(dòng)成為項(xiàng)目的頂層（Top）模塊了。

4）接下去我們來編寫led_test.v的程序,這里我們定義了一個(gè)32位的寄存器timer, 用于循環(huán)計(jì)數(shù)0~199_999_999(4秒鐘), 當(dāng)計(jì)數(shù)到49_999_999(1秒）的時(shí)候，熄滅第一個(gè)LED燈；當(dāng)計(jì)數(shù)到99_999_999(2秒）的時(shí)候，熄滅第二個(gè)LED燈；當(dāng)計(jì)數(shù)到149_999_999(3秒）的時(shí)候，熄滅第三個(gè)LED燈；當(dāng)計(jì)數(shù)到199_999_999(4秒）的時(shí)候，熄滅第四個(gè)LED燈，計(jì)數(shù)器再重新計(jì)數(shù)。具體的操作直接看代碼吧。

`timescale1ns/1nsmoduleled_test(
sys_clk,//systemclock50Mhzonboardrst_n,//reset,lowactive
led//LED,useforcontroltheLEDsignalonboard);inputsys_clk;inputrst_n;output[3:0]led;//definethetimecounterreg[31:0]timer;reg[3:0]led;always@(posedgesys_clkornegedgerst_n)beginif(~rst_n)
timer<=32'd0;//?when?the?reset?signal?valid,time?counter?clearingelseif(timer?==32'd199_999_999)//4?seconds?count(50M*4-1=199999999)??????????timer?<=32'd0;//count?done,clearing?the?time?counterelse
????????????timer?<=?timer?+1'b1;//timer?counter?=?timer?counter?+?1endalways@(posedge?sys_clk?ornegedge?rst_n)beginif(~rst_n)
??????????led?<=4'b0000;//when?the?reset?signal?active?????????
elseif(timer?==32'd49_999_999)//time?counter?count?to?1st?sec,LED1?lighten
??????????led?<=4'b0001;elseif(timer?==32'd99_999_999)//time?counter?count?to?2nd?sec,LED2?lightenbegin
??????????led?<=4'b0010;endelseif(timer?==32'd149_999_999)//time?counter?count?to?3nd?sec,LED3?lighten??????????led?<=4'b0100;elseif(timer?==32'd199_999_999)//time?counter?count?to?4nd?sec,LED4?lighten??????????led?<=4'b1000;endendmodule

5）編寫好代碼后保存,點(diǎn)擊菜單File -Save All。

添加UCE約束

User Constraint Editor(Timing and Logic)簡(jiǎn)稱UCE，主要是完成管腳的約束,時(shí)鐘的約束, 以及組的約束。這里我們需要對(duì)led_test.v程序中的輸入輸出端口分配到FPGA的真實(shí)管腳上。

1）擊菜單欄“Tools”下的"User Constraint Editor";

2）在彈出的界面中單擊Device;

3）在Device中單擊I/O，可看到工程中用到的IO端口；

4）按如下方式分配管腳，LOC就是與硬件中FPGA相對(duì)應(yīng)的管腳，VCCIO是FPGA的IO的電壓標(biāo)準(zhǔn)，與硬件對(duì)應(yīng)，其它在這里保持默認(rèn)即可；

5）單擊保存后會(huì)彈對(duì)話框，在這里選擇默認(rèn)；

4.4 生成位流文件

雙擊Generate Bitstream，然后軟件會(huì)按照Synthesize-> Device Map-> Place & Route-> Generate Bitstream來產(chǎn)生位流文件。

如果工程在生成位流文件過程中沒有錯(cuò)誤，則會(huì)出現(xiàn)下圖中每一步都正確的“√”，否則就會(huì)在Messages欄中顯示errors的錯(cuò)誤。

位流文件生成完成后，我們可以在Report Summary頁面的到了FPGA資源的使用情況。

此外還可以通過下圖操作查看RTL視圖；

4.5 下載和調(diào)試

在上面生成了位流文件(.sbit)后，我們可以把sbit文件下載到FPGA芯片中，看一下LED實(shí)際運(yùn)行的效果。下載和調(diào)試之前先連接硬件，把JTAG下載器和開發(fā)板連接，然后開發(fā)板上電（下圖為開發(fā)板的硬件連接圖）。

1）單擊界面中的“Configuration”按鈕，作用一是下載程序到FPGA中運(yùn)行；二是固化程序到flash中。

2）在彈出的界面中的單擊“Boundary Scan”，然后在右側(cè)空白區(qū)單擊右鍵選擇“Scan Device”；

3）在掃描到JTAG設(shè)備后會(huì)彈出如下對(duì)話框，并按如下加載.sbit文件即可；

4）然后可以看到左側(cè)顯示了要加載的文件，選中右側(cè)綠色的方塊，右擊會(huì)彈出下拉菜單并選擇"Program..."，下載完成后在板上可以在開發(fā)板上看到LED流水燈的效果。注意：這種方式程序是在FPGA運(yùn)行，掉電后會(huì)消失。

4.6 FLASH程序固化

可能已經(jīng)有朋友發(fā)現(xiàn)下載.sbit文件到FPGA后，開發(fā)板重新上電后配置程序已經(jīng)丟失，還需要JTAG下載。這豈不麻煩！好吧，這一節(jié)我們來介紹如何把配置程序固化到開發(fā)板上的FLASH中，這樣不用擔(dān)心掉電后程序丟失了。

在我們的開發(fā)板上有一個(gè)8Pin的128Mbit的FLASH, 用于存儲(chǔ)配置程序。我們不能直接把sbit文件下載到這個(gè)FLASH中，只能下載sfc文件到flash中。下面為大家介紹FLASH程序的固化的流程。

1）首先，需要sbit文件轉(zhuǎn)換成能下載的flash的sfc文件。在完成上節(jié)下載和調(diào)試后，選擇菜單"Operations"下"Convert File"進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換。

然后彈出如下界面，這里要根據(jù)硬件的flash型號(hào)來選擇flash的廠家和設(shè)備型號(hào)，開發(fā)板用到的是WINBOND的W25Q128Q。Flash Read Mode 選擇SPI X4然后選擇要轉(zhuǎn)換的sbit文件，點(diǎn)擊OK即可轉(zhuǎn)換；

轉(zhuǎn)換完成后顯示如下界面，單擊OK；

2）選中右側(cè)綠色的方塊，右擊會(huì)彈出下拉菜單并選擇"Scan outer Flash"。

選擇已生成的sfc文件，單擊Open；

可以看到界面中有了flash器件，選中“Outer Flash”綠色方塊并右擊選擇菜單中“Program...”

彈出正在編程的進(jìn)度界面，flash編程完成后進(jìn)度界面自動(dòng)消失。

至此，SPI FLASH 燒寫完畢，led_test程序已經(jīng)固化到SPI FLASH中了。我們來驗(yàn)證一下，關(guān)電重新啟動(dòng)開發(fā)板，等待一會(huì)兒你就可以看到開發(fā)板上的LED燈已經(jīng)在做跑馬運(yùn)動(dòng)了。

4.7 仿真驗(yàn)證

接下來我們不妨小試牛刀，讓仿真工具modelsim來輸出波形驗(yàn)證流水燈程序設(shè)計(jì)結(jié)果和我們的預(yù)想是否一致。具體步驟如下：

1）添加激勵(lì)測(cè)試文件，點(diǎn)擊Project下的Add Source；

2）點(diǎn)擊Add or create simulation sources并"Next";

3）在彈出的對(duì)話框中輸入激勵(lì)文件的名字，這里我們輸入名為vtf_led_test,其它按下圖設(shè)置；

4）點(diǎn)擊OK按鈕返回。

5）這里我們先不添加IO Ports，點(diǎn)擊OK。

6）在Simulation目錄下多了一個(gè)剛才添加的vtf_led_test文件。雙擊打開這個(gè)文件，可以看到里面只有module名的定義，其它都沒有。

7） 接下去我們需要編寫這個(gè)vtf_led_test.v文件的內(nèi)容。首先定義輸入和輸出信號(hào)，然后需要實(shí)例化led_test模塊，讓led_test程序作為本測(cè)試程序的一部分。再添加復(fù)位和時(shí)鐘的激勵(lì)。完成后的vtf_led_test.v文件如下：

`timescale1ns/1ns////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////ModuleName:vtf_led_test//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////modulevtf_led_test;//Inputsregsys_clk;regrst_n;//Outputswire[3:0]led;//InstantiatetheUnitUnderTest(UUT)led_testuut(.sys_clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.led(led));initialbegin//InitializeInputssys_clk=0;
rst_n=0;//Wait100nsforglobalresettofinish#1000;
rst_n=1;//Addstimulushere#20000;//$stop;endalways#10sys_clk=~sys_clk;//20ns，endmodule

8） 編寫好后保存，vtf_led_test.v自動(dòng)成了這個(gè)仿真的頂層了，它下面是設(shè)計(jì)文件led_test.v；

9）接下來設(shè)置PDS的仿真配置，在軟件菜單Project->Project Setting，然后在彈出的界面中進(jìn)行如下設(shè)置，注意仿真庫的路徑在《00.Pango Design Suite 2020.3安裝》教程中已介紹。，設(shè)置好后單擊OK。

10）右擊仿真文件并在下拉菜單中選擇Run Behavioral Simulation。這里我們做一下行為級(jí)的仿真就可以了。

如果沒有錯(cuò)誤，PDS會(huì)調(diào)用Modelsim仿真軟件開始工作了。

11）在彈出仿真界面后如下圖，界面是仿真軟件自動(dòng)運(yùn)行到仿真設(shè)置的50ms的波形。

由于LED[3：0]在程序中設(shè)計(jì)的狀態(tài)變化時(shí)間長(zhǎng)，而仿真又比較耗時(shí)，在這里觀測(cè)timer[31:0]計(jì)數(shù)器變化。把它放到Wave中觀察(點(diǎn)擊界面中的uut， 再右擊右側(cè)timer, 在彈出的下拉菜單里選擇Add Wave)。

添加后timer顯示在Wave的波形界面上，如下圖所示。

12）點(diǎn)擊Restart按鈕復(fù)位一下，再點(diǎn)擊Run All按鈕。（需要耐心?。。。梢钥吹椒抡娌ㄐ闻c設(shè)計(jì)相符。

我們可以看到led的信號(hào)會(huì)逐一變1，說明LED1~LED4燈逐個(gè)熄滅。

這里為止，我們的第一個(gè)項(xiàng)目就圓滿完成了，相信您也掌握了PDS的FPGA開發(fā)的整個(gè)流程，再也不是那個(gè)FPGA的門外漢了吧！ 師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行還需要靠本身！PDS軟件的一些技巧的使用和掌握就需要靠大家在長(zhǎng)期實(shí)踐和探索中慢慢熟悉了。

5. 附錄

led_test.v(verilog代碼)

`timescale1ns/1psmoduleled_test(
	inputsys_clk,//systemclock50Mhzonboard	inputrst_n,//reset,lowactive	outputreg[3:0]led//LED,useforcontroltheLEDsignalonboard);//definethetimecounterreg[31:0]timer;//cyclecounter:from0to4secalways@(posedgesys_clkornegedgerst_n)begin
	if(~rst_n)
		timer<=32'd0;//when?the?reset?signal?valid,time?counter?clearing	elseif(timer?==32'd199_999_999)//4?seconds?count(50M*4-1=199999999)		timer?<=32'd0;//count?done,clearing?the?time?counter	else
		timer?<=?timer?+1'b1;//timer?counter?=?timer?counter?+?1end//?LED?controlalways@(posedge?sys_clk?ornegedge?rst_n)begin
	if(~rst_n)
		led?<=4'b0000;//when?the?reset?signal?active	elseif(timer?==32'd49_999_999)//time?counter?count?to?1st?sec,LED1?lighten		led?<=4'b0001;
	elseif(timer?==32'd99_999_999)//time?counter?count?to?2nd?sec,LED2?lighten		led?<=4'b0010;
	elseif(timer?==32'd149_999_999)//time?counter?count?to?3rd?sec,LED3?lighten		led?<=4'b0100;
	elseif(timer?==32'd199_999_999)//time?counter?count?to?4th?sec,LED4?lighten		led?<=4'b1000;endendmodule

注意：在定義寄存器時(shí)，如果寄存器在always塊里使用必須定義為reg類型，如果僅是用于連線或是直接賦值需定義為wire類型，輸入信號(hào)的類型不能定義為reg型，不管是reg類型信號(hào)還是wire類型的信號(hào)，定義的寄存器寬度必須滿足使用時(shí)的需要，但必須稍大于或等于需要使用的位寬。若定義寄存器位寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用需求則會(huì)浪費(fèi)資源，如果定義的位寬小于使用需求，則會(huì)造成數(shù)據(jù)位截?cái)?，?dǎo)致程序錯(cuò)誤。還有其他信號(hào)的類型及用法請(qǐng)大家參考Verilog語法教程。